燃料电池阴离子膜

燃料电池阴离子交换膜的制备

摘要

直接甲醇燃料电池( DMFC ) 具有高效、高能量密度、环境友好、燃料储运及补充方便等优点，在手机、笔记本电脑等小型民用电源等方面具有极大的竞争优势，是各国政府优先发展的高新技术之一。但在目前，DMFC 广泛使用的质子交换膜大多为Nafion 膜，不仅阻醇性能差，而且Pt 催化剂价格昂贵、易中毒，阻碍了DMFC 进一步的应用和发展。

碱性直接醇类阴离子交换膜燃料电池具有诸多优点，如在碱性介质中，醇类燃料的氧化速率和氧还原速率比在酸性介质中大幅提高；有望使用非贵金属催化剂等。

然而，目前为止，碱性阴离子交换膜的研发还处于起步阶段，存在离子电导率低、稳定性差等问题。本文针对碱性阴离子交换膜在天然产物改性、交联剂的使用、改变官能团结构、引入咪唑环、引入氟原子、有机—无机混合膜等方面做了初步探讨，希望对以后的的研发有所帮助。

关键词：碱性直接甲醇燃料电池；阴离子交换膜

目录

摘要 (1)

引言 (2)

1燃料电池简介 ........................................................................................ 错误！未定义书签。

1.1直接甲醇燃料电池.................................................................. 错误！未定义书签。

1.1.1质子交换膜直接甲醇燃料电池 (4)

1.1.2阴离子交换膜直接甲醇燃料电池 (5)

1.2阴离子交换膜概述 (6)

1.2.1阴离子交换膜的导电机理 (6)

1.2.2阴离子交换膜的制备 (6)

1.2.3 阴离子交换膜在DMFC 应用中所面临的问题 (7)

1.2.4 课题研究的意义 (8)

2 文献综述 (9)

2.1天然产物改性 (9)

2.2交联剂的使用 (9)

2.3改变官能团结构 (11)

2.4引入咪唑环 (12)

2.5引入氟原子 (12)

2.6有机—无机混合膜 (13)

3 结论和展望 (15)

4 致谢 (16)

参考文献 (17)

引言

燃料电池(FC)是一种电化学装置，它能够将燃料与氧化剂反应产生的化学能连续不断地转化为电能。从燃料电池的发明至今已有一百多年的历史，其间由于发动机的问世和快速发展，导致一次能源相对过剩，燃料电池的大规模应用受到了制约。但随着对全球变暖以及节能减排问题的关注，人们开始寻求一种转化效率更高的能量利用方法，因此对燃料电池产生了浓厚的兴趣。

燃料电池具有以下优点:

（1）它能按电化学方式直接将化学能转化为电能，能量的转化不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高；

（2）环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，CO的排放量也很少；

（3）电极不参与反应，无损耗，电池寿命长等。

与其他传统的发电方式相比燃料电池表现出的明显优势，使其无论是在军事还是在民用上，都显示着广泛的应用前景，对其深入研究和开发备受世界各国的高度重视。

1燃料电池简介

按照工作性质和结构的不同，现今大量开发和研究的燃料电池大体上可分为六类:碱性燃料电池(AFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)。

1.1 直接甲醇燃料电池[14,16]

直接甲醇燃料电池直接以甲醇为燃料，氧气或空气为氧化剂，固体聚合物膜为电解质。

DMFC主要由阳极、阴极和固体聚合物电解质膜三部分组成。电极由扩散层和催化剂层构成，催化剂层是电化学反应发生的场所，而扩散层起到支撑催化层、收集电流及传导反应物的作用。

1.1.1质子交换膜直接甲醇燃料电池

①阳极，甲醇和水经过阳极流道传递至催化剂层，在催化剂的作用下发生氧化

反应，生成电子、H+和CO2。电子经过外电路由阳极流到阴极，CO2经流道排出，H+则通过电解质膜传导至阴极。

CH3OH + H2O →CO2 + 6H+ + 6e-

②阴极，氧化剂在催化剂的作用下，与流到阴极的H+ 和电子发生反应，生成的水，并以水蒸气或冷凝水的形式从阴极室排出。

3/2 O 2+ 6H++ 6e-→ 3H2O

电池总的反应式为:

CH3OH +3/2 O 2 →CO2+2H2O

图 1 质子交换膜直接甲醇燃料电池的作原理

PEMFC发展遇到的阻碍：

一方面，燃料甲醇在阳极进行的氧化反应的低活性以及阳极催化剂的高成本。氢气氧化非常快，而甲醇氧化不但比氢氧化反应复杂，且进行得非常慢。因此，同PEMFC相比，甲醇电池的功率要低很多。

另一方面，燃料的渗透问题。与水混合在一起的甲醇很容易被质子交换膜吸收，然后快速到达阴极区，不但造成了甲醇的浪费，而且在催化剂Pt的作用下，透过的甲醇会发生氧化，在阴极产生混合电位，一方面造成了电池电压下降，更重要的是氧化生成的中间产物会使阴极催化剂Pt中毒，导致电池性能也下降。

1.1.2阴离子交换膜直接甲醇燃料电池

将电解质的导电离子改为OH-，使用碱性的离子交换膜。

①阴极，氧气与水在催化剂的作用下与外电路流入阴极的电子相互反应，产生OH-，OH-经碱性电解质膜向阳极迁移。

3/2O2 + 3H2O + 6e- →6OH-

②入阳极的OH- 与阳极的甲醇反应，生成CO2、H2O和电子。

CH3OH + 6OH- →6e- + CO2 + 5H2O

由于阴离子交换膜燃料电池中OH- 的迁移方向与质子交换膜燃料电池中H+的迁移方向完全相反，甲醇分子不会随导电离子的迁移而向阴极发生电渗析，这就在很大程度上抑制了甲醇的渗透。因此，在DMFC中使用阴离子交换膜成为DMFC研究的方向。

图 2 阴离子交换膜直接甲醇燃料电池的作原理

除阻醇方面的优势外，阴离子交换膜直接甲醇燃料电池还具有如下的优点：

①在碱性条件下阳极甲醇的氧化反应速率明显提高。

②水从阴极移动到阳极，有助于电池的水平衡，水管理相对简单。

③碱性条件下不会发生中间产物使催化电极中毒，电极材料的选择范围较宽，可